A gázturbinák többféle méretben készülnek. Bár úgy tűnik, hogy a nagy égésturbinák kapják a legtöbb publicitást, és a Siemens, a GE és a Mitsubishi Hitachi Power Systems csapja a legnagyobb zajt, számos kisebb cég felfedezte a mikroturbinák piacán a rést. Innovatív konstrukcióik különösen a kereskedelmi és ipari szegmensben találnak érdeklődésre.
Amikor sokan a mikroturbinákra gondolnak, gyakran kis, mindössze 30 kW teljesítményű egységeket képzelnek el. Bár az ilyen egységek újszerűek, az iparág az elmúlt évtizedben nagyot fejlődött, és a multipack egységek összteljesítménye manapság elérheti a 30 MW-ot is.
A tanácsadó cég, az ICF Inc. az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma számára fenntartja a kapcsolt hő- és villamosenergia-termelés (CHP) telepítési adatbázisát. Ezt tartják az ország legátfogóbb információforrásának a CHP-berendezésekről. Az ICF nemrégiben arról számolt be, hogy a 2013-2017 közötti időszakban a mikroturbinák 25%-os piaci részesedést szereztek az amerikai CHP-berendezésekből a 100 kW és 5 MW közötti tartományban. Ez új rekordot jelentett.
Az adatbázis szerint az 5 MW-nál kisebb CHP-rendszerek teljes beépített kapacitása 2017 végén 2631,4 MW volt. Az ICF előrejelzése szerint az amerikai CHP éves kapacitástelepítések a 2017-es 561 MW-ról 2026-ra akár 1400 MW-ra is nőhetnek. A növekedést várhatóan a kisebb kereskedelmi alkalmazások hajtják, amelyek jellemzően kompatibilisek a mikroturbinás technológiával.”
“Tekintettel a rekordalacsony gázárakra és azok belátható időn belüli stabilitására, a kapcsolt energiatermelési projektek fejlesztése vonzó lehetőséget jelent többféle bevételi folyamattal – az ipari folyamatokhoz a vendéglátóknak értékesített gőz és a hálózatba értékesített villamos energia -” – mondta Siraj Taj, az ST Power Services Consultants igazgatója és tulajdonosa a POWER-nek. “A kereskedelmi és ipari fogyasztók felmérik a kerítés mögötti kapcsolt energiatermelés gazdasági életképességét az üzemeltetési költségek csökkentése, a megbízhatóság javítása, az energiahatékonysági célok elérése és a szénlábnyom csökkentése érdekében” – tette hozzá.”
Az ipari folyamatok áramellátása
Majdnem egy évtizeddel ezelőtt a POWER már beszámolt a mikroturbinás rendszerek növekedéséről (lásd “A mikroturbinás technológia érik” a 2010. novemberi számban). A Capstone Turbine Corp., amely azt állítja magáról, hogy a világ vezető fejlesztője és gyártója a mikroturbinás energiatermelő rendszereknek, már akkor is legfeljebb 1 MW teljesítményű egyedi egységekkel házalt. Ma már a Capstone összes egysége akár 30 MW kapacitásig párhuzamosan is üzemeltethető.
Hogy megértsük, hol lehetnek előnyösek ezek a csomagok, gondoljunk csak a Felsineo La Mortadellára. A vállalat egy olasz élelmiszer-feldolgozó, amely finomra őrölt, hőkezelt sertéskolbászt gyárt. A Capstone weboldalán közzétett esettanulmányban szerepelt.
A Felsineo a bolognai elsődleges gyártóüzemének energiatermelő rendszerét kívánta korszerűsíteni. Olyat akart, amely képes kezelni a kolbászkészítéshez szükséges telített gőz termelésének növelését.
A vállalat a Capstone földgáztüzelésű C1000 mikroturbina (1. ábra), valamint egy gázkompresszor és egy égés utáni gőzfejlesztő megoldás mellett döntött. A Felsineo projekt volt a Capstone első olyan mikroturbinája, amely az égetés utáni gőzmegoldást alkalmazta, és amely sikeresen kielégítette a létesítmény elektromos és hőigényét egyaránt. Az esettanulmány szerint a gyártóüzem teljes hatékonysága 30%-kal javult, amivel a Felsineo évente mintegy 300 000 eurót takarított meg.
1. A Capstone Turbine Corp. mikroturbinák sorát kínálja a 30 kW-os C30-as konstrukciótól (itt látható kivágás) az 1 MW-os C1000S egységig. Jóvoltából: Capstone Turbine Corp.
“A Capstone új Signature Series termékcsaládja jelentős előrelépést tesz a CHP-piacon, amely kifejezetten az energiahatékonysági piaci vertikum növekedésére és a Capstone üzletágának további diverzifikálására összpontosít” – mondta Jim Crouse, a Capstone értékesítési és marketing ügyvezető alelnöke a CHP-piac növekedésével kapcsolatban egy nemrég kiadott sajtóközleményben.
A világ leghatékonyabb kis gázturbinája
Aurelia Turbines viszonylag új szereplő a piacon – a vállalatot 2013-ban alapították -, de technológiája már évtizedek óta fejlesztés alatt áll. A vállalat központi irodája és gyártási létesítményei a finnországi Lappeenrantában találhatók. A helyszín azért jelentős, mert az Aurelia a Lappeenrantai Műszaki Egyetemmel együttműködve fejlesztette ki új gázturbináját.
Az Aurelia vezérigazgatója, Matti Malkamäki szerint Lappeenranta “egy kicsit olyan, mint a nagysebességű technológia Szilícium-völgye”. A POWER-nek adott exkluzív interjúban Malkamäki elmondta, hogy a vállalatot kifejezetten Lappeenrantában alapította, mert “a know-how” megtalálható a környéken. “A korai fázisokban az egyetem öt különböző professzora és a hozzájuk tartozó kutatócsoportok, összesen több mint 30-an tervezték a turbinát. Nélkülük ez a termék soha nem látott volna napvilágot” – mondta.”
Az Aurelia gázturbina a vállalat által IRG2-nek (intercooled and recuperated generator on two spools) nevezett eljárást alkalmazza. Bár a több tekercses turbinák és a rekuperált/intercooled turbinák más formában is léteznek, az Aurelia A400-as turbinája az első a maga nemében, amely mindezeket a tulajdonságokat egyazon egységben használja (2. ábra).
2. Ez az ábra az IRG2 (intercooled and recuperated generator on two spools) eljárást mutatja. Az Aurelia konstrukció főbb elemei közé tartoznak a kisnyomású (LP) és nagynyomású (HP) kompresszorok, turbinák és generátorok. Jóvoltából: Aurelia Turbines
Az eredmény a jobb hatékonyság. Az Aurelia azt állítja, hogy az elektromos hatásfok alapján a világ leghatékonyabb kis gázturbináival rendelkezik.
“Itt nem teszünk csodákat” – magyarázta Malkamäki. “A legnagyobb különbség számunkra más hasonló méretű gázturbinákhoz képest egyszerűen az, hogy két tengelyünk van. Van egy alacsony nyomású tengelyünk és van egy magas nyomású tengelyünk. Ez azt jelenti, hogy két generátorunk van. Mindkettőnek nincs sebességváltója, tehát nagysebességű tengelyekről van szó. És van az alacsony nyomású kompresszor, amely után van az intercooler, és ez sokkal hatékonyabbá teszi az átalakítási folyamat többi részét, mivel a levegő így sűrűbb és hűvösebb lesz. Aztán van egy rekuperátor – tehát ez egy rekuperált turbina -, de az égéstérben kicsit nagyobb a nyomásarányunk, mint az összes többi hasonló méretű turbinánál. Ez némi előnyt jelent számunkra.”
Míg a Capstone konstrukció jól alkalmazható olyan CHP-berendezésekhez, ahol a kipufogógáz hője felhasználható az általános hatékonyság javítására, az Aurelia olyan alkalmazásokat célzott meg, ahol a villamos energia a turbina telepítése melletti döntés mozgatórugója. Az Aurelia turbina továbbra is használható CHP alkalmazásokban, de az adott helyszín követelményeitől függően szükség lehet egy csatornaégőre is.
“Inkább a gázmotorokkal versenyzünk” – mondta Malkamäki. Ezen a területen az Aurelia nagyobb tüzelőanyag-flexibilitást és alacsonyabb kibocsátást kínál. “Sokkal nagyobb ablakunk van a különböző üzemanyagokra. Nagyon sovány biogázokat tudunk hasznosítani, amelyek nem alkalmasak a motorok számára. Ebben látjuk az első piaci rést számunkra.”
Az Aurelia turbinába tervezett másik egyedülálló tulajdonság az aktív mágneses csapágyazás. A csapágyak nem igényelnek olajat, ami kiküszöböli a szivárgás lehetőségét és csökkenti a karbantartást. A konstrukció nem új. A Lappeenrantában is jelen lévő Sulzer hasonló csapágyakat használ néhány berendezésében, például a szennyvíztisztító telepek nagysebességű turbókompresszoraiban és számos más berendezésben. Az ezekben az alkalmazásokban elért sikerek bizalmat adtak az Aurelia számára a turbina tervezésénél használt csapágyrendszerrel kapcsolatban.
“Ebben a szakmában minden a megbízhatóságról szól, és arról, hogy megmutassuk, hogy megbízható vállalat vagyunk” – mondta Malkamäki. Az Aurelia igyekszik mindent megtenni, amit csak tud, “hogy a szavát adja” – tette hozzá.
Kiegészítő kapcsolt energiatermelési megoldások
A brit székhelyű Centrax egy másik kis gázturbina-megoldások szállítója. 2017 októberében az olaszországi Bolognában is üzembe helyezett egy projektet. Ez a létesítmény két CX501-KB5 DLE generátoregységet használ, amelyek egyenként legfeljebb 3,9 MW elektromos energiát biztosítanak, ipari kazánokhoz csatlakoztatva, amelyek a város mintegy 8000 háztartásának fűtését képesek biztosítani. A két csomagot Siemens 501-K gázturbinák hajtják.
A létesítményt birtokló multiutility vállalat, a Hera több mint 17 millió eurót fektetett a projektbe, amely az 1990-es évek óta működő erőműben található. A korszerűsítés mozgatórugója a vállalat szerint az energiahatékonyság és a környezeti fenntarthatóság növelése volt. A régi erőmű egy részét 2015 májusában lebontották, és az erőmű kevesebb mint 18 hónap alatt megkezdte a távhőhálózat táplálását.
“Az 501-KB5 DLE generátorok jól illeszkednek ehhez a projekthez, kompakt, mégis nagy teljesítményű megoldást biztosítanak a Héra számára, amely kiváló rugalmasságot tesz lehetővé, amikor és amikor hőre és áramra van szükség” – mondta Chris Dumont, a Centrax értékesítési és marketing ügyvezető igazgatója az erőmű megnyitását bejelentő sajtóközleményben. “Az új technológiának köszönhetően a Hera képes a létesítményeket egy távoli központból irányítani, ami minimális személyzeti igényt tesz lehetővé a helyszínen.”
OPRA Turbines, a Dalian Energas hollandiai székhelyű csoportvállalata egy újabb kis gázturbina-csomagot kínál. Az OP16 gázturbinája teljesen radiális kialakítású. Állítólag azért egyedülálló, mert fejlett égési rendszerei a folyékony és gáznemű tüzelőanyagok széles skáláját képesek kezelni. Az OP16 mérsékelt nyomásaránya lehetővé teszi, hogy alacsony tüzelőanyag-gáznyomással működjön, és felszerelhető alacsony kibocsátású égőkkel vagy alacsony Btu-tartalmú tüzelőanyag-égőkkel. A vállalat szerint egyedülálló égetési technológiája képes a szennyezett tüzelőgázt, amelyet egyébként fáklyáznának, szellőztetnének vagy egyszerűen csak elpazarolnának, “zöld energiává és tiszta kipufogógázzá” alakítani.”
Az OPRA megoldásának egyik gyakorlati példája a hollandiai Siniat gipszkartongyártó üzemében található. A Siniat folyamatához 5,8 MWth és 1,8 MWe folyamatos ellátására volt szükség. A lehetőségek tanulmányozása után a vállalat úgy döntött, hogy az OP16 gázturbinát szigetüzemben használja. A turbinából 575C-on távozó füstgázokat közvetlenül a szárítókhoz és kalcinálókhoz vezetik. Ennek eredményeként az erőmű teljes elektromos és termikus hatásfoka meghaladja a 85%-ot. A kipufogógázok 15% O 2-t tartalmaznak, ami lehetővé teszi, hogy a szárítók bemeneti nyílásainál könnyen utótüzelést lehessen alkalmazni, ha további hőteljesítményre van szükség. Ráadásul az egységet mindössze két hét alatt telepítették ugyanarra a területre, ahol korábban egy régebbi, már meglévő radiális gázturbina állt. ■
-Aaron Larson a POWER ügyvezető szerkesztője.